Ngăn chặn sự cố rớt mạch trong bộ biến tần điện áp cao 6kV

Bộ biến tần điện áp cao là thiết bị quan trọng để điều khiển tốc độ động cơ AC và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều chỉnh tốc độ động cơ điện áp cao, công suất lớn trong các ngành như nâng hạ, luyện kim, dầu khí và phát điện. Tuy nhiên, bộ biến tần điện áp 6kV thường gặp sự cố nhảy cầu bất thường trong quá trình hoạt động do các yếu tố như dao động lưới điện và tác động của tải, ảnh hưởng đáng kể đến an toàn và độ tin cậy của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ.

Để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống biến tần điện áp cao (VFD), cải thiện hiệu quả công nghiệp và giảm tiêu thụ năng lượng, chính phủ đã đưa ra một loạt chính sách khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng công nghệ biến tần điện áp cao. Do đó, phân tích sâu nguyên nhân gây ra sự cố nhảy cầu bất thường của bộ biến tần điện áp 6kV và phát triển các biện pháp phòng ngừa hiệu quả có ý nghĩa quan trọng đối với việc thúc đẩy công nghệ VFD điện áp cao và duy trì tăng trưởng kinh tế công nghiệp.

1 Tổng quan về bộ biến tần điện áp 6kV

Bộ biến tần điện áp 6kV là thiết bị điện tử công suất lớn sử dụng IGBT làm phần tử chuyển mạch và sử dụng cấu trúc đa cấp để đạt được điều khiển tốc độ biến tần ở mức 6kV và cao hơn. Các đơn vị công suất của nó thường sử dụng mạch ba cấp điểm trung tính bị khóa (3L-NPC) hoặc mạch năm cấp điểm trung tính chủ động (5L-ANPC), được xây dựng bằng cách ghép nối nhiều mô-đun con. Mỗi mô-đun con chứa 6-24 IGBT và điôt tự do, tạo ra sóng hình bậc thang từ 9-17 cấp, sau khi lọc sẽ gần giống với sóng sin.

Công suất điển hình nằm trong khoảng từ 3000 đến 14.000 kVA, với mức điện áp bao gồm 6kV, 10kV và 35kV. Đối với yêu cầu công suất và điện áp cao hơn, có thể sử dụng cấu trúc biến đổi đa cấp mô-đun (MMC), trong đó các mô-đun con sử dụng cấu trúc nửa cầu hoặc cầu đầy đủ, với hàng trăm mô-đun xếp chồng mỗi pha, cho phép mức điện áp lên tới 220kV và công suất đơn vị lên tới 400 MVA, phù hợp cho các ứng dụng như tích hợp lưới năng lượng tái tạo, điện gió ngoài khơi và truyền dẫn DC linh hoạt. Chiến lược điều khiển của bộ biến tần điện áp cao rất phức tạp, liên quan đến các công nghệ chính như điều chế xung pha dịch, cân bằng dòng, phát hiện không cảm biến và tối ưu hóa suy giảm từ trường.

2 Sự cố nhảy cầu bất thường trong bộ biến tần điện áp 6kV

Trong quá trình hoạt động, bộ biến tần điện áp 6kV thường nhảy cầu do các sự cố bất thường như quá dòng, quá áp và quá nhiệt. Sự cố quá dòng thường xảy ra trong quá trình khởi động hoặc thay đổi tải đột ngột, nơi dòng điện tức thời có thể vượt quá 2-3 lần giá trị định mức. Nếu dòng điện vượt quá 1600A trong hơn 100ms hoặc 2000A trong hơn 10ms, bộ biến tần sẽ ngay lập tức chặn IGBT và ngắt tiếp điểm đầu ra, kích hoạt sự cố nhảy cầu bảo vệ phần cứng.

Sự cố quá áp thường do dao động lưới điện hoặc thay đổi tải đột ngột. Khi điện áp bus DC vượt quá 1,2 lần giá trị định mức (1368V), bảo vệ quá áp phần mềm sẽ kích hoạt; nếu vượt quá 1,35 lần (1026V), bảo vệ phần cứng sẽ trực tiếp nhảy cầu. Sự cố quá nhiệt thường xảy ra trong môi trường nhiệt độ cao hoặc hoạt động quá tải kéo dài. Khi nhiệt độ IGBT vượt quá 90°C hoặc nhiệt độ tản nhiệt vượt quá 70°C trong hơn 5 phút, hệ thống sẽ phát cảnh báo nhiệt độ cao; nhảy cầu trực tiếp nếu nhiệt độ đạt 100°C hoặc 80°C tương ứng. Đặc điểm chung của ba loại sự cố này là kích hoạt cơ chế tự bảo vệ của bộ biến tần, nhanh chóng cắt nguồn đầu ra bằng cách chặn IGBT và ngắt tiếp điểm, dẫn đến hiện tượng dừng khẩn cấp động cơ và đèn báo lỗi nhấp nháy.

3 Biện pháp phòng ngừa
3.1 Điện trở hạn chế dòng

Để giải quyết sự cố quá dòng, có thể kết nối một điện trở hạn chế dòng giữa đầu ra của bộ biến tần và động cơ. Đo lường thực tế cho thấy khi một bộ biến tần 6kV/1500kVA khởi động động cơ 380kW hoặc lớn hơn, dòng khởi động tức thời có thể đạt 5-8 lần dòng định mức, vượt xa cài đặt bảo vệ quá dòng.

Để giảm dòng khởi động, có thể sử dụng điện trở dây cuộn hoặc biến trở varistor oxit kẽm phi tuyến có điện trở 1-3Ω và công suất định mức 200-500W. Loại sau có điện trở lạnh trên 100Ω và giảm nhanh khi dòng điện tăng, hạn chế dòng khởi động đỉnh trong 2-3 lần dòng định mức. Sau khi động cơ khởi động, khi tần số đầu ra của bộ biến tần tăng trên 40Hz và dòng điện giảm dưới giá trị định mức, điện áp rơi trên điện trở nhỏ hơn 50V.

Tại thời điểm này, tiếp điểm bypass đóng để ngắn mạch điện trở, tránh mất điện liên tục. Nếu dòng điện tăng đột ngột trong quá trình khởi động, khi biến áp dòng điện phát hiện giá trị vượt quá 1200A, hệ thống kiểm soát sẽ phát cảnh báo; nếu đạt 1500A, bộ biến tần sẽ ngay lập tức chặn IGBT và mở tiếp điểm bypass, tái kết nối điện trở hạn chế dòng để nhanh chóng giảm dòng điện. Tiếp điểm bypass sau đó đóng lại để khôi phục hoạt động bình thường. Quá trình chuyển mạch toàn bộ diễn ra trong ít hơn 0,5 giây, hiệu quả giảm dòng điện đỉnh, đảm bảo khởi động mượt mà động cơ và đáng kể cải thiện độ tin cậy của bộ biến tần.

3.2 Mạch kẹp điện áp

Để giảm sự cố quá áp, có thể kết nối một mạch kẹp điện áp song song với bus DC. Mạch này chủ yếu bao gồm biến trở oxit kim loại (MOV), thyristor nhanh (GTO) và mạch phát hiện. Dữ liệu thực tế cho thấy bảo vệ quá áp phần mềm kích hoạt khi điện áp lưới dao động hơn 15% hoặc khi giảm tải khiến điện áp bus DC vượt quá 1300V trong hơn 20ms.

Để ngăn chặn các sự cố này, có thể sử dụng MOV TYN-20/141, có điện áp kích hoạt 1420V, dòng xả cực đại 20kA và khả năng hấp thụ năng lượng 8800J mỗi đơn vị. Khi điện áp bus vượt quá 1350V, MOV bắt đầu dẫn và hấp thụ năng lượng dư thừa; nếu điện áp tăng lên 1400V, GTO kích hoạt, nhanh chóng chuyển năng lượng quá áp vào điện trở để khôi phục điện áp về mức an toàn. Mạch phát hiện liên tục theo dõi điện áp bus.

Khi điện áp giảm xuống dưới 1250V và duy trì trong 50ms, tín hiệu giải phóng được gửi, tắt GTO và khôi phục hoạt động bình thường của hệ thống. Nếu điện áp bus vẫn vượt quá 1400V trong hơn 100ms, sự cố quá áp nghiêm trọng được xác định, và bộ biến tần chuyển sang trạng thái khóa phần mềm, yêu cầu reset thủ công trước khi khởi động lại. Thực tế cho thấy, với mạch kẹp này, bộ biến tần 6kV có thể chịu đựng được 35% quá áp tức thời và giảm quá áp xuống dưới 1,05 lần điện áp định mức trong 100ms. Phản hồi nhanh và đáng tin cậy, hiệu quả ngăn chặn sự cố nhảy cầu quá áp thường xuyên và đáng kể cải thiện tính liên tục và độ tin cậy của hệ thống.

3.3 Thiết kế chia sẻ dòng

Để giải quyết sự cố quá nhiệt, công nghệ chia sẻ dòng có thể được sử dụng để giảm sinh nhiệt trong các thành phần quan trọng như IGBT và tản nhiệt, ngăn chặn sự cố nhảy cầu do nhiệt.

Các biện pháp cụ thể bao gồm kết nối 1-2 tụ điện ly trong song song giữa các đầu cực dương và âm của bus DC của mỗi đơn vị công suất. Tụ điện nên có dung lượng 1000-2200μF, điện áp định mức ≥1600V và dòng điện gợn liên tục ≥100A. Khi dòng điện đầu ra của bộ biến tần vượt quá 1,2 lần giá trị định mức (ví dụ: 900A), các tụ điện song song này có thể cung cấp khả năng chia sẻ dòng 10%-20%, giảm dòng điện thực tế qua IGBT xuống 720-810A. Do tổn thất dẫn IGBT tỷ lệ thuận với bình phương của dòng điện, cách tiếp cận này hiệu quả giảm nhiệt độ tăng.

Trong công thức: PCPC là tổn thất dẫn IGBT (W); VCEVCE là điện áp bão hòa IGBT (V), có mối quan hệ tuyến tính với dòng điện ICIC (A); UηUη là điện áp bật của IGBT (V); $K$ là hệ số khuếch đại dòng của IGBT.

Có thể thấy, sau khi áp dụng biện pháp chia sẻ, tổn thất dẫn IGBT có thể giảm 19% đến 36%, và nhiệt độ chip tiếp xúc có thể giảm 10°C đến 25°C, do đó giảm đáng kể vấn đề sinh nhiệt của bộ biến tần.

Ngoài ra, lắp đặt 1-2 quạt điện song song tại lối vào và lối ra của tản nhiệt bộ biến tần, với lưu lượng không khí định mức ≥ 3000 m³/h, có thể hiệu quả tăng cường hiệu quả làm mát của tản nhiệt. Đặt 6-8 cảm biến nhiệt độ bên trong tủ điều khiển để theo dõi nhiệt độ của các đơn vị công suất, bo mạch chính, bo mạch điều khiển IGBT, v.v., theo thời gian thực. Khi nhiệt độ bất kỳ điểm nào vượt quá 65°C, hệ thống kiểm soát sẽ ngay lập tức khởi động quạt điện ở tốc độ tối đa và gửi tín hiệu "cảnh báo giảm tải" đến đơn vị điều khiển bộ biến tần.

Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng lên 75°C và kéo dài hơn 10 phút, hệ thống sẽ phát tín hiệu "báo động quá nhiệt", giới hạn dòng điện đầu ra tối đa của bộ biến tần dưới 50% giá trị định mức cho đến khi nhiệt độ giảm xuống dưới 60°C, lúc đó "báo động quá nhiệt" sẽ được gỡ bỏ.

Nếu nhiệt độ bất kỳ điểm đo nào vượt quá 85°C và dòng điện động cơ không giảm xuống dưới 30% giá trị định mức, bộ biến tần sẽ ngay lập tức khóa phần cứng và ngừng đầu ra. Để cải thiện hiệu quả làm mát, có thể áp dụng vật liệu nano như graphene hoặc nanotube cacbon lên tản nhiệt IGBT của mỗi đơn vị công suất, tận dụng độ dẫn nhiệt siêu cao của chúng để tăng tốc độ tỏa nhiệt của chip IGBT, do đó giảm nhiệt độ tiếp xúc.

4 Hiệu quả của các biện pháp phòng ngừa
4.1 Thiết kế thí nghiệm

Bộ biến tần điện áp cao thông minh ZINVERT-6kV/1500kVA được sử dụng làm đối tượng thử nghiệm, và một thí nghiệm kiểm soát nhóm đã được tiến hành để xác minh hiệu quả của ba biện pháp phòng ngừa được đề xuất. Các thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện định mức (điện áp đầu vào: 6kV±5%; nhiệt độ môi trường: 25°C±2°C; độ ẩm tương đối: 65%±5%). Thí nghiệm được chia thành bốn nhóm: nhóm chứng không áp dụng biện pháp phòng ngừa nào; Nhóm A sử dụng điện trở hạn chế dòng 2,2Ω/350W với công tắc bypass nhanh MSC-500; Nhóm B sử dụng mạch kẹp điện áp được tạo bởi biến trở TYN-20/141 và IXYS-GTO kết nối song song, với điện áp kẹp được đặt ở 1420V; Nhóm C sử dụng tụ điện ly 2000μF/1600V (loạt HCG của Hitachi) kết nối song song để chia sẻ dòng, kết hợp với quạt tốc độ biến thiên 3500 m³/h (EBM-W3G450) để làm mát ép buộc.

Mỗi nhóm hoạt động liên tục trong 72 giờ, với các tham số chính như dòng điện đầu ra của bộ biến tần, điện áp bus DC và nhiệt độ tiếp xúc IGBT được ghi lại mỗi 6 giờ. Dữ liệu được thu thập bằng máy phân tích chất lượng điện Fluke 435-II và máy ghi dữ liệu HIOKI 8847. Trong quá trình thí nghiệm, ba kịch bản sự cố典型故障场景被模拟：启动过电流（额定电流的8倍 / 0.5秒），电网电压波动（+20% / 1秒），以及满载运行（环境温度35°C / 2小时）。实验装置如图1所示。 看来在翻译过程中，我无意中使用了中文。以下是正确的越南语翻译： Mỗi nhóm hoạt động liên tục trong 72 giờ, với các tham số chính như dòng điện đầu ra của bộ biến tần, điện áp bus DC và nhiệt độ tiếp xúc IGBT được ghi lại mỗi 6 giờ. Dữ liệu được thu thập bằng máy phân tích chất lượng điện Fluke 435-II và máy ghi dữ liệu HIOKI 8847. Trong quá trình thí nghiệm, ba kịch bản sự cố điển hình được mô phỏng: dòng điện khởi động quá mức (8 lần dòng định mức / 0,5 giây), dao động điện áp lưới (+20% / 1 giây) và hoạt động tải đầy (nhiệt độ môi trường 35°C / 2 giờ). Bộ thí nghiệm được hiển thị trong Hình 1.

4.2 Phân tích kết quả

Sau 72 giờ hoạt động liên tục, dữ liệu từ bốn nhóm được thu thập và phân tích, với kết quả được trình bày trong Bảng 1. Nhóm chứng đã gặp phải sự cố nhảy cầu trong tất cả ba tình huống sự cố, trong khi các nhóm thí nghiệm có biện pháp phòng ngừa đã chứng minh hiệu quả trong việc ngăn chặn sự cố. Trong Nhóm A, dòng khởi động đỉnh đã giảm từ 7,8 xuống 2,2 lần dòng định mức, hiệu quả ngăn chặn sự cố quá dòng.

Trong Nhóm B, mạch kẹp điện áp đã giới hạn dao động điện áp bus DC tối đa ở 1368V, thấp hơn nhiều so với ngưỡng bảo vệ 1420V. Trong Nhóm C, sự kết hợp giữa chia sẻ dòng và làm mát ép buộc đã duy trì nhiệt độ tiếp xúc IGBT tối đa dưới 87,5°C, thấp hơn đáng kể so với ngưỡng nhảy cầu 100°C. Hơn nữa, thời gian phản hồi của cả ba biện pháp phòng ngừa đều nằm trong 100ms, đáp ứng yêu cầu bảo vệ nhanh. Không có kích hoạt giả xảy ra trong quá trình thí nghiệm, cho thấy hiệu suất hệ thống ổn định và đáng tin cậy.

5 Kết luận

Nghiên cứu này đã phân tích hệ thống nguyên nhân gây ra sự cố nhảy cầu bất thường trong bộ biến tần điện áp 6kV và đề xuất các biện pháp phòng ngừa có mục tiêu. Kết quả thí nghiệm xác nhận rằng điện trở hạn chế dòng hiệu quả kiểm soát dòng khởi động, mạch kẹp điện áp đáng kể giảm sự cố quá áp bus DC, và sự kết hợp giữa chia sẻ dòng và làm mát ép buộc giảm đáng kể nguy cơ quá nhiệt IGBT, do đó nâng cao độ tin cậy tổng thể của hệ thống.